Joachim Korndörfer

Untersuchungen zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels auf der Basis eines Rückstandes des Bergbaus von lateritischen Erzen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 15.05.2000

Abstract
Der Einsatz von eisenreichen Zementen ist besonders dann vorteilhaft, wenn das hydraulische Bindemittel für genau definierte Einsatzgebiete hergestellt werden kann. Diese Spezialzemente sind aufgrund ihrer niedrigen Herstellungstemperaturen und Hydratationswärmen, ihrer hohen Resistenz gegen Sulfatwasserangriff und der guten Verträglichkeit gegenüber hohen Freikalkgehalten von großem Interesse. Die Laterite der tropischen Regionen stellen einen interessanten Ausgangsstoff für solchen eisenreichen hydraulische Bindemittel dar.
Zur Herstellung eines hydraulisch reagierenden Bindemittels wurde in der vorliegenden Arbeit die Verwendung eines Abfalls aus der Goldgewinnung eines lateritischen Tagebaus der Bergbauregion Carajás/Brasilien untersucht. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die thermische Behandlung von Abmischungen des Abfalls mit den Zusatzkomponenten Kalk, Kaolin und einer Sulfatkomponente. Dabei wurde besonders auf die Phasenbildung und die Hydraulizität der Sinterprodukte eingegangen. Die wichtigsten Untersuchungsmethoden waren XRD und die Wärmeflußkalorimetrie. Daneben wurden die REM, RFA, TG/DTA, ICP-OES, UV-VIS, Lasergranulometrie und die Oberflächenbestimmung nach Blaine angewendet.
Unter den gewählten Bedingungen treten hauptsächlich die Phasen C4A3S(Ye'elimit), C2AS (Gehlenit), F (Hämatit), CS (Anhydrit), CF (CaO·Fe2O3), Fss (Calciumaluminatferrat) und ein Calcium-Silicium-Eisen-Oxid ("CSFA") auf. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, daß bei Sintertemperaturen zwischen 1050 C und 1200 C ein Optimum für die Bildung von hydraulischen Phasen vorliegt. Bei Abmischungen des Abfalls mit Kalk kann ab 1050 C C2S (2CaO·SiO2) gebildet werden. Bei zusätzlichem Sulfatanteil in den Abmischungen wird die Bildung der hydraulischen Phase C4A3S gefördert. C2S und C4A3S treten jedoch nicht gleichzeitig auf. Der Kaolinanteil fördert die Entstehung von nicht hydraulischem C2AS, welches dem System das für die Bildung von C4A3S benötigte CaO und Al2O3 entzieht.
Die Zugabe einer Sulfatkomponente ist zur Bildung der hydraulischen Phasen C4A3S erforderlich. Die Abmischungen mit den höchsten hydraulischen Reaktivitäten haben einen Fe2O3-Gehalt von rund 40 M.-% und einen CaO-Gehalt von rund 45 M.-%. "CSFA" bildet sich bei 1100 C nur bei relativ kaolinarmen Abmischungen. Der Anteil der Phasen nimmt bei einer Sintertemperatur von 1200 C zu. Die Phase zeigt im Kalorimeterversuch keine hydraulische Reaktivität.
An Abmischungen der Sinterprodukte mit Portlandzement (PZ) konnte nachgewiesen werden, daß sich die Sinterprodukte durch den PZ zusätzlich anregen lassen, d.h. die hydraulische Reaktivität kann durch die Zumischung von PZ noch verstärkt werden.
Die vorliegende Arbeit bildet die Grundlage für die weitere Optimierung von Abmischungen des lateritischen Abfalls mit Kalk und einer Sulfatphase. Die Ergebnisse zeigen, daß bei geeigneter Auswahl der Rohmehlzusammensetzung bei 1200 C gegenüber 1100 C höhere hydraulische Reaktivitäten erzielt werden können.

The use of iron-rich cements is particularly advantageous, when a hydraulic binder can be produced for clearly defined purposes.
These special cements are of great interest due to their comparatively low temperature of formation and their low heat of hydration, their high resistance against sulfate attack and their good acceptance of high lime values.
The laterites of the tropical regions represent an interesting basis for such iron-rich hydraulic binders.
This work investigated the production of an hydraulic reacting binder on the basis of a waste material that results from the exploration of gold of an lateritic open pit mine in the mining district of Carajás (Brazil). The investigations concentrated on the thermal treatment of mixtures of the waste material with the additional components lime , china clay and a sulfate component. Phase formations and the hydraulic reactivity of the sintered products were of special interest.
The most important methods of investigation were XRD and heat flow calorimetry. SEM, XRF, TG/DTA, ICP-OES and UV-VIS, laser granulometry and the determination of surface according Blaine were used as supplementary methods.
Under the chosen conditions the most important phases are C4A3S (ye'elimite), C2AS (gehlenite), F (hematite), CS (Anhydrite), CF (CaO·Fe2O3), Fss (calcium aluminate ferrite) and a calcium-Silica-iron-oxide ("CSFA"). The results show that an optimum for the formation of hydraulic phases exits at temperatures between 1050 C and 1200 C. In mixtures of the waste material with lime the formation of the phase C2S (2CaO*SiO2) starts at 1050 C. An additional sulfate compound promotes the formation of the hydraulic reaction phase C4A3S. Additional china clay leads to the formation of the not hydraulic phase C2AS. This takes away CaO and Al2O3 that is necessary for the formation of C4A3S.
The mixtures with the highest hydraulic reactivity have a Fe2O3 content of about 40 w.-% and a CaO content of about 45 w.-%. "CSFA" forms at 1100 C only with a low content of china clay.
Investigations show, that the sinter products can be activated through the addition of ordinary Portland cement.
The work presented here is a basis for the optimization of mixtures of the lateritic waste with lime and a sulfate compound. The results show, that higher hydraulic reactivities can be obtained at 1200 C in comparison to 1100 C with an adequate choice of the raw meal composition.

Keywords:
hydraulisches Bindemittel, Zement, Sulfoaluminatzement, Calciumaluminatferrat, Belit, Rückstand, Laterit, Wärmeflußkalorimetrie

hydraulic binder, cement, sulfoaluminate cement, calcium aluiminate ferrite, belite, waste, laterite, heat flow calorimetry

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Nomenklatur, Kurzzusammenfassung
1 Einleitung (1-12)
2 Experimentelle Methodik (13-21)
3 Versuchsprogramm (22)
4 Ergebnisse (23-94)
5 Zusammenfassung und Diskussion (95-105)
6 Literaturverzeichnis (106-113)
7 Anhang